¿Qué es el Modelo Estándar?


El Modelo Estándar de la física es la teoría de partículas, campos y las fuerzas fundamentales que los gobiernan.

Nos habla de cómo las familias de partículas elementales se agrupan para formar partículas compuestas más grandes, y cómo una partícula puede interactuar con otra, y cómo las partículas responden a las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Ha realizado predicciones exitosas, como la existencia del bosón de Higgs, y actúa como la piedra angular de la física teórica.

El Modelo Estándar de la física es la teoría de partículas, campos y las fuerzas fundamentales que los gobiernan. Una ilustración de la estructura dentro de un átomo. (Crédito de la imagen: KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY/Getty Images)

Una forma de pensar en el modelo estándar es como un árbol genealógico de partículas. Por ejemplo, el Modelo Estándar nos dice cómo los átomos que componen nuestros cuerpos están hechos de protones y neutrones, que a su vez están hechos de partículas elementales llamadas quarks.

El modelo estándar

El modelo estándar es considerado por físicos, como Glenn Starkman en la Universidad Case Western Reserve, como una de las teorías científicas más exitosas (se abre en una nueva pestaña) de todos los tiempos, pero por otro lado, los científicos también han reconocido que es incompleto, de la misma manera que la teoría de la gravitación universal de Isaac Newton derivada de sus leyes del movimiento, aunque notablemente exitosa, no era la imagen completa y requirió la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein para llenar los vacíos que faltaban.

LA HISTORIA DEL MODELO ESTÁNDAR

El modelo estándar se elaboró ​​en la década de 1960 y principios de la de 1970 a partir del trabajo de un grupo de científicos pioneros, pero en realidad sus orígenes se remontan a casi 100 años antes. En la década de 1880, se hizo evidente que se producían partículas con carga positiva y negativa cuando se ionizaban los gases, y que estas partículas debían ser más pequeñas que los átomos, que eran las estructuras más pequeñas conocidas en ese momento. La primera partícula subatómica que se identificó, en rayos catódicos (se abre en una pestaña nueva), fue el electrón negativo en 1897 por el físico británico y posterior ganador del Premio Nobel, J. J. Thomson (se abre en una pestaña nueva).

Luego, en 1911, Hans Geiger y Ernest Madsen, bajo la supervisión del Premio Nobel Ernest Rutherford (se abre en una nueva pestaña) en la Universidad de Manchester, realizaron su famoso experimento de «hoja de oro», en el que se separaron partículas alfa (núcleos de helio). disparó contra una fina lámina de oro. Algunas de las partículas alfa atravesaron los átomos de la lámina, mientras que otras se dispersaron a izquierda y derecha y una pequeña fracción rebotó de regreso.

Rutherford interpretó esto en el sentido de que los átomos contenían una gran cantidad de espacio vacío por el que pasaban las partículas alfa, pero que su carga positiva estaba concentrada en un núcleo en su centro, y en las ocasiones en que una partícula alfa golpeaba este núcleo, era disperso. La experimentación adicional de Rutherford en 1919-1920 descubrió que una partícula alfa disparada al aire podía eliminar una partícula cargada positivamente de un átomo de nitrógeno en el aire, convirtiéndola en carbono en el proceso. Esa partícula era el protón (opens in new tab), que le da al núcleo atómico su carga positiva. El compañero con carga neutra del protón, el neutrón, fue identificado en 1932 por James Chadwick (opens in new tab) en Cambridge, quien también ganó el Premio Nobel.

Entonces, la imagen de la física de partículas a principios de la década de 1930 parecía relativamente sencilla: los átomos estaban hechos de dos tipos de ‘nucleones’, en forma de protones y neutrones, y los electrones los orbitaban.

Pero las cosas ya comenzaban a complicarse rápidamente. Ya se conocía la existencia del fotón, por lo que técnicamente se trataba de una cuarta partícula. En 1932, el físico estadounidense Carl Anderson descubrió el positrón (opens in new tab), que es el equivalente en antimateria de un electrón. El muón fue identificado en 1936 por Anderson y Seth Neddermeyer (se abre en una pestaña nueva), y luego el pión fue descubierto en 1947 (se abre en una pestaña nueva) por Cecil Powell. En la década de 1960, con el advenimiento de los incipientes aceleradores de partículas, se estaban descubriendo cientos de partículas, y el panorama científico se estaba volviendo muy complicado. Los científicos necesitaban una forma de organizarlo y racionalizarlo todo, y su respuesta a esto fue crear el Modelo Estándar, que es la gloria suprema del trabajo acumulativo de la comunidad física de esa era.

Experimento de la doble rendija

GENERACIONES DE PARTÍCULAS

Según el Modelo Estándar, existen tres familias de partículas elementales. Cuando decimos ‘elemental’, los científicos se refieren a partículas que no se pueden descomponer en partículas aún más pequeñas. Estas son las partículas más pequeñas que juntas forman todas las demás partículas.

Las tres familias son leptones, quarks y bosones. Los leptones y los quarks se conocen como fermiones porque tienen un espín medio entero. Los bosones, por otro lado, tienen un giro entero. ¿Qué significa esto?

Spin, en el contexto de la física cuántica, se refiere al momento angular de spin. Esto es diferente al momento angular orbital, que describe el giro de la Tierra alrededor del sol, el giro de la Tierra alrededor de su eje de rotación e incluso el giro de un trompo. Por otro lado, el momento angular de espín es una propiedad cuántica intrínseca a cada partícula, incluso si esa partícula está estacionaria. Las partículas de espín semientero tienen valores de espín que son semienteros, es decir, 1/2, 3/2, etc. Los bosones tienen valores de espín enteros, por ejemplo, 1, 2, 3, etc.

Los leptones incluyen electrones, muones, partículas tau y sus neutrinos asociados. Los quarks son partículas diminutas que, cuando se unen, forman partículas compuestas como protones y neutrones. Las partículas que están formadas por quarks se denominan hadrones (de ahí el Gran Colisionador de Hadrones), las partículas compuestas formadas por números impares de quarks, normalmente tres, se denominan bariones, y las formadas por dos quarks se denominan mesones. Los bosones son portadores de fuerza: transfieren la fuerza electromagnética (fotones), la fuerza débil (bosones Z y W), la fuerza nuclear fuerte (gluones) y la fuerza de Higgs (bosón de Higgs).

Cada ‘familia’ consta de seis partículas conocidas (excepto los bosones, que explicaremos más adelante) que vienen en pares llamados ‘generaciones’. Las partículas más estables y menos masivas de la familia forman la primera generación. Debido a su estabilidad, lo que significa que no se descomponen rápidamente, toda la materia estable del universo está formada por partículas elementales de primera generación. Por ejemplo, los protones están formados por dos quarks ‘arriba’ y un quark ‘abajo’, que son los dos quarks más estables.

Hay 17 partículas elementales conocidas: 6 leptones, 6 quarks, pero solo 5 bosones. Falta un transportador de fuerza: el gravitón. El modelo estándar predice que la gravedad debería tener un bosón portador de fuerza, en forma de gravitón. Las ondas gravitacionales, en teoría, se forman a partir de gravitones. Sin embargo, detectar el gravitón no será una tarea fácil. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales. Puede que no lo creas, después de todo mantiene los pies en el suelo, pero cuando consideras que se necesita toda la masa del planeta para generar suficiente gravedad para mantener los pies en el suelo, puedes tener la sensación de que la gravedad no es t tan fuerte como, digamos, puede ser el magnetismo, que puede levantar un clip contra la atracción gravitacional de la Tierra. En consecuencia, los gravitones individuales no interactúan con la materia tan fácilmente; se dice que tienen una sección transversal baja de interacción (opens in new tab). Los gravitones pueden tener que seguir siendo hipotéticos por el momento.

MÁS ALLÁ DEL MODELO ESTÁNDAR

Tan maravilloso como es el Modelo Estándar, describe solo una pequeña fracción del universo. La nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (se abre en una pestaña nueva) ha confirmado que todo lo que podemos ver en el cosmos (planetas, estrellas y galaxias) representa solo el 4,9 % de toda la masa y la energía del universo (se abre en una pestaña nueva) . El resto es materia oscura (26,8%) y energía oscura (68,3%), cuya naturaleza es completamente desconocida y que definitivamente no son predichas por el Modelo Estándar.

Eso no es todo lo que se desconoce. Una gran pregunta en física es si las partículas elementales son realmente elementales o si hay una física oculta subyacente a ellas. Por ejemplo, la teoría de cuerdas postula que las partículas elementales están hechas de cuerdas diminutas que vibran. Luego está la cuestión de la antimateria: se deberían haber creado cantidades iguales de materia y antimateria (se abre en una nueva pestaña) en el Big Bang, pero esto significaría que no deberíamos estar aquí en absoluto, porque toda la materia y la antimateria deberían haberse aniquilado entre sí. otro. Hoy vemos que el universo contiene principalmente materia, con muy poca antimateria. ¿Por qué existe esta asimetría?

Luego está la cuestión de por qué las partículas tienen las masas que tienen, y por qué las fuerzas tienen la fuerza que tienen, y por qué las partículas se dividen en las tres familias de leptones, quarks y bosones. Que simplemente lo sean no es una respuesta lo suficientemente buena para los físicos: quieren entender por qué, y el modelo estándar no se lo dice.

SUPERSIMETRÍA

En un esfuerzo por actualizar el modelo estándar para enfrentar estos desafíos, los científicos han introducido la idea de la supersimetría. Si es cierto, entonces la supersimetría significaría que cada partícula en el modelo estándar tiene un compañero supersimétrico con una masa mucho mayor y un espín que es diferente a la mitad de sus compañeros del modelo estándar. Esto unificaría los fermiones con los bosones, ya que los fermiones de espín entero tendrían supercompañeros de espín medio entero, y los bosones de espín medio entero tendrían supercompañeros de espín entero. Las partículas de supersimetría menos masivas y más estables tampoco tendrían carga eléctrica e interactuarían muy débilmente con la materia normal, lo que se parece mucho a las propiedades de la materia oscura.

Mientras tanto, a las energías más altas análogas a las que existieron en el primer momento después del Big Bang, la supersimetría predice que la fuerza débil, la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética tendrían todas la misma fuerza y ​​serían esencialmente la misma fuerza. Los científicos llaman a este concepto una ‘Gran Teoría Unificada’.

Según el sitio web del CERN, la supersimetría también podría ayudar a explicar la masa sorprendentemente pequeña del bosón de Higgs (se abre en una pestaña nueva), que es de 125 GeV (125 mil millones de electronvoltios). Si bien esto es relativamente alto, no es tan alto como se esperaba. La existencia de socios supersimétricos extremadamente masivos equilibraría las cosas. Y deben ser extremadamente masivos, porque el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ni ningún otro acelerador de partículas antes que él, ha encontrado evidencia de la existencia de socios supersimétricos hasta el momento, lo que lleva a algunos científicos a dudar de que la supersimetría sea real. Si existen partículas supersimétricas, entonces deben ser más masivas de lo que puede detectar el LHC; por ejemplo, la masa del gluino (opens in new tab), que es el compañero supersimétrico del gluón que media la fuerza fuerte que une a los quarks dentro de los protones y los neutrones, se ha descartado hasta 2 billones de eV.

Así que la supersimetría está en peligro y los físicos ahora se esfuerzan por encontrar una teoría de reemplazo que pueda avanzar sobre el Modelo Estándar y explicar la masa del bosón de Higgs, así como la materia oscura, las Grandes Teorías Unificadas y todo lo demás. Todavía no hay candidatos fuertes para reemplazar la supersimetría, y la supersimetría aún puede ganar, pero por ahora los físicos tendrán que arreglárselas con el mundo imperfecto del modelo estándar.

Con información de Space.com

Deja una respuesta

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Salir /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Salir /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Salir /  Cambiar )

Conectando a %s

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.